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L'atmosphère, une mince couche - i: voir Crédit-photo
Le carbone est essentiel à la vie. On le retrouve partout : dans l’eau, dans l’air, dans le sol. Il nous nourrit. Il régularise la température du globe en raison de son rôle central dans l’effet de serre. Connaître son rôle et le grand cycle du carbone est donc essentiel pour comprendre les changements climatiques.
On ne pense que très rarement à l’air qui nous entoure et qui forme l’atmosphère. Il est composé principalement d’azote (78,1 %), d’oxygène (20,9 %) et de 1 % d’autres gaz dont l’argon et le CO₂, formant un mélange gazeux propice pour transmettre la chaleur et l’énergie. Malgré son immensité apparente lorsqu’on lève les yeux vers le ciel, la moitié de la masse totale des composantes de l’atmosphère se retrouve dans une mince couche d’environ 5 km au-dessus du sol [1]. Plus haut, les alpinistes ont d’ailleurs de la difficulté à respirer, car l’oxygène se fait trop rare.
On ne pense que très rarement à l’air qui nous entoure et qui forme l’atmosphère. Il est composé principalement d’azote (78,1 %), d’oxygène (20,9 %) et de 1 % d’autres gaz dont l’argon et le CO₂, formant un mélange gazeux propice pour transmettre la chaleur et l’énergie. Malgré son immensité apparente lorsqu’on lève les yeux vers le ciel, la moitié de la masse totale des composantes de l’atmosphère se retrouve dans une mince couche d’environ 5 km au-dessus du sol [1]. Plus haut, les alpinistes ont d’ailleurs de la difficulté à respirer, car l’oxygène se fait trop rare.
Le carbone et le gaz carbonique, source de vie
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La vie sur Terre dépend d’un certain nombre d’éléments essentiels, dont l’oxygène, l’eau, l’azote et le carbone, pour n’en nommer que quatre. Le carbone joue un rôle primordial à l’apparition et au maintien de la vie. Il constitue la matière de base pour la fabrication des molécules essentielles du vivant (les sucres, les lipides, les protéines) et les molécules de carbone servent à stocker l’énergie [2]. Tout être vivant est donc fait en bonne partie de carbone.
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On retrouve le carbone sous différentes formes à la fois dans l’atmosphère, dans l’hydrosphère (l’ensemble des océans et des eaux douces), dans la lithosphère (l’ensemble des terres émergées) ainsi que dans la biomasse, c’est-à-dire l’ensemble de la matière organique (végétaux, animaux et micro-organismes) composant la biosphère. Comme chacun de ces milieux contient une très grande quantité de carbone, on parlera donc de réservoirs où s’accumulent d’immenses dépôts de carbone. [3]
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On trouve donc du carbone dans tous les milieux et sous les formes naturelles les plus diverses, du simple graphite (que l’on utilise dans les crayons à la mine) ou de la craie, au plus dispendieux des diamants, en passant par les coquillages de nombreux organismes (carbonate de calcium), les roches calcaires, dans les hydrocarbures (pétrole et gaz), dans le charbon, sous forme oxydée dans l’atmosphère (le dioxyde de carbone) ainsi que dans tous les êtres vivants (glucose, cellulose, lipides, protéines, etc.). Tout cela est fait de carbone. On en retrouve dans nos aliments, on l’utilise pour produire l’acier, dans les matières plastiques, dans les fibres, etc.
Le cycle du carbone - v: voir Crédit-photo
Loin d’être isolés les uns des autres, les immenses réservoirs naturels communiquent entre eux de diverses façons. Il y a donc des échanges continuels entre ces derniers, à travers de multiples mécanismes. Ainsi, le CO₂ atmosphérique est absorbé par les plantes par photosynthèse ou absorbé par les océans par dissolution dans l’eau et transformé en calcaire (carbonate de calcium - CaCO₃). Il est réémis dans l’atmosphère par la respiration de tous les êtres vivants, par les éruptions volcaniques, la combustion du bois (fait de cellulose, donc de carbone), ou d’énergie fossile (charbon, pétrole et gaz). [4]
Il a fallu près de deux milliards d’années pour ramener la concentration atmosphérique de CO₂ de plus de 90% au début de la création de la Terre à un niveau plus près de ce que nous connaissons aujourd’hui [5]. Un équilibre naturel s’est établi, laissant juste assez de CO₂ dans l’atmosphère afin de maintenir un effet de serre suffisant pour l’épanouissement de la vie sur Terre. (Voir article L’effet de serre, c’est quoi? pour plus de détails)
Il a fallu près de deux milliards d’années pour ramener la concentration atmosphérique de CO₂ de plus de 90% au début de la création de la Terre à un niveau plus près de ce que nous connaissons aujourd’hui [5]. Un équilibre naturel s’est établi, laissant juste assez de CO₂ dans l’atmosphère afin de maintenir un effet de serre suffisant pour l’épanouissement de la vie sur Terre. (Voir article L’effet de serre, c’est quoi? pour plus de détails)
La biosphère a le bec sucré!
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Ces passages d’un immense réservoir à l’autre font partie de ce qu’on appelle le cycle du carbone, un des grands cycles dits biogéochimiques de la planète, car ces échanges chimiques passent autant par la végétation et les animaux (biologie) que par la transformation des roches sédimentaires et l’activité volcanique (géologie).
L’apparition, il y a 2,5 milliards d’années, des cyanobactéries capables de convertir l’énergie solaire en énergie chimique facilement stockable, ce qu’on appelle la photosynthèse, allait révolutionner la vie sur Terre. Ces cyanobactéries, et plus tard les phytoplanctons puis les algues et les plantes, transforment le CO₂, par photosynthèse, en molécules de glucose (sucre) et en oxygène (jusque-là absent de l’atmosphère). C’est par la photosynthèse que le carbone entre dans le monde des êtres vivants. Elle a non seulement transformé la chimie de la Terre, elle a permis la naissance et le développement de nouvelles formes de vie plus complexes [6].
L’apparition, il y a 2,5 milliards d’années, des cyanobactéries capables de convertir l’énergie solaire en énergie chimique facilement stockable, ce qu’on appelle la photosynthèse, allait révolutionner la vie sur Terre. Ces cyanobactéries, et plus tard les phytoplanctons puis les algues et les plantes, transforment le CO₂, par photosynthèse, en molécules de glucose (sucre) et en oxygène (jusque-là absent de l’atmosphère). C’est par la photosynthèse que le carbone entre dans le monde des êtres vivants. Elle a non seulement transformé la chimie de la Terre, elle a permis la naissance et le développement de nouvelles formes de vie plus complexes [6].
Cycle océanique du carbone - vii: voir Crédit-photo
On parle du cycle du carbone afin d’illustrer le fait que ce dernier ne sort pas de nulle part. Comme le dit la maxime de Lavoisier, « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Ainsi, le carbone passe d’un réservoir à l’autre et se transforme dans différents types de molécules (regroupements agencés d’atomes). Le recyclage permanent du carbone à travers les quatre grands réservoirs est devenu, après plusieurs centaines de millions d’années, une mécanique bien rodée régulant le climat, l’effet de serre et la productivité biologique des plantes et autres organismes vivants, grâce au maintien d’un équilibre naturel. [7]
Le cycle du carbone
Dans l’atmosphère, le carbone est sous la forme de dioxyde de carbone (CO₂), une forme qui régularise le cycle en faisant le pont entre l’hydrosphère et la lithosphère [8]. C’est en effet sous cette forme qu’il est absorbé par les plantes par le processus de photosynthèse. Ainsi, les plantes se nourrissent et accumulent leur réserve d’énergie en combinant l’eau et le CO₂, grâce à la lumière solaire, pour former du sucre (glucose), première étape avant de former une série de molécules plus complexes (cellulose, protéine, lipides etc.). Ce procédé libère également à lui seul tout l’oxygène requis à la vie sur Terre. [9]
C’est également sous la forme de CO₂ que le carbone atmosphérique est absorbé par les océans. Ce dernier est dissous dans l’eau, en surface, assimilé par les phytoplanctons grâce à la photosynthèse et est ainsi intégré à toute la chaîne alimentaire, chaque espèce servant de nourriture à une espèce plus grande. Une portion du CO₂ est également transformée en ion bicarbonate (HCO₃-) qui, combiné au calcium de l’océan formera les squelettes et les coquilles (formés de carbonate de calcium CaCO₃). [10]
ix: voir Crédit-photo
Cycle et recycle
Dans l’océan comme sur la terre, la respiration de tous les êtres vivants, plantes, animaux, poissons, bactéries, champignons ou virus, restitue à l’atmosphère une grande partie du CO₂ retiré par la photosynthèse. L’homme, par sa respiration, ne fait donc que recycler, c’est-à-dire retourner le CO₂ qu’il a ingéré en mangeant des aliments produits directement grâce à la photosynthèse (les végétaux) ou indirectement (la viande des animaux herbivores ou granivores, nourris de fourrage et de grains). Ainsi, il ne perturbe aucunement l’équilibre du grand cycle naturel du carbone. Il n’ajoute pas de CO₂, il recycle simplement celui qui vient juste d’être retiré de l’atmosphère lors de la croissance des plants de salade, de maïs ou de blé. Nous pouvons donc respirer naturellement, la conscience en paix! [11]
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Une autre portion du CO₂ captée par la biomasse est retournée à l’atmosphère suite à l’action des décomposeurs de matières organiques. Cette faune grouillante d’insectes, de champignons microscopiques, de bactéries, décompose la matière organique morte afin d’en tirer leur énergie vitale. Mais tout ne retourne pas directement à l’atmosphère. Une portion beaucoup plus petite sera intégrée dans les sols ou dans les fonds marins, formant des couches de sédiments, à l’origine des roches sédimentaires ainsi que de la formation du charbon, du pétrole et du gaz, mais seulement après une transformation qui prend des millions d’années. [12]
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Cette action de la photosynthèse, de la respiration et de la décomposition des matières organiques est suffisamment forte pour ressortir clairement dans les mesures de la concentration du CO₂ dans l’atmosphère. Le graphique tiré des données atmosphériques du Centre de recherche de Mauna Loa, à Hawaï, laisse voir les pulsations saisonnières prononcées résultant de la forte poussée de croissance des plantes au printemps dans l’hémisphère nord (baisse du CO₂ atmosphérique), suivi d’un arrêt de croissance à l’automne-hiver (et donc d’une remontée de la concentration du CO₂ dans l’atmosphère). [13]
S’il permet de bien voir le phénomène naturel de la photosynthèse/respiration, le graphique laisse aussi entrevoir le dérèglement grandissant du cycle du carbone, chaque sommet annuel excédant le sommet annuel précédent, atteignant année après année un nouveau record.
S’il permet de bien voir le phénomène naturel de la photosynthèse/respiration, le graphique laisse aussi entrevoir le dérèglement grandissant du cycle du carbone, chaque sommet annuel excédant le sommet annuel précédent, atteignant année après année un nouveau record.
Attention, le réservoir déborde!
Afin de comprendre la raison de ce déséquilibre, on doit se rappeler que chaque année une partie de la matière organique végétale et animale, sous l’action des décomposeurs (champignons, bactéries), s’intègre dans les sols et les fonds océaniques où, sous certaines conditions de chaleur et de pression, elle se transformera en énergie fossile (charbon, pétrole et gaz) après des millions d’années. Pour chacune des années, cela ne change presque rien à l’équilibre naturel du cycle du carbone. Mais sur des dizaines et des centaines de millions d’années, cela constitue une portion considérable du réservoir de carbone au niveau de la lithosphère.
Taille des réservoirs de carbone - xii: voir Crédit-photo
Il est important de tenir compte de la taille respective de chaque réservoir de carbone dont nous parlions au début. Les quantités en jeu étant considérables, les chiffres sont exprimés en milliards de tonnes de carbone (ou Gt). Ainsi, l’atmosphère constitue le plus petit réservoir, avec l’équivalent de 810 milliards de tonnes de carbone (810 Gt) en 2006, alors qu’il en contenait moins de 600 Gt au début de l’ère industrielle. L’ensemble de la matière organique de la biosphère contenue dans les plantes et animaux de toutes sortes vient en deuxième place en totalisant 2 300 Gt, emmagasinées grâce à la photosynthèse. [14]
Solubilité du CO2 dans l'eau - xiii: voir Crédit-photo
Le troisième réservoir est très important pour deux raisons. D’abord par sa taille : 38 500 Gt, c’est-à-dire que l’hydrosphère (les océans particulièrement) contient 47 fois plus de carbone que l’atmosphère. Ensuite, parce qu’il joue un rôle très important dans l’équilibre du cycle du carbone par sa capacité d’absorption, de dissolution du CO₂ dans ses eaux, mais aussi parce qu’il réémet également du CO₂ par dégazage lorsque la température de l’eau augmente (le taux d’absorption d’un gaz diminuant lorsque la température de l’eau augmente, comme on peut le voir au graphique de droite). Bref, un poids lourd à surveiller.
Enfin, le quatrième réservoir et le plus gros, la lithosphère, contient 20 000 000 Gt de carbone, 25 000 fois plus important que l’atmosphère. Heureusement, c’est naturellement le plus stable, celui qui émet le moins d’émission, sinon par éruption volcanique. Les échanges naturels avec l’atmosphère sont donc très limités à court terme, se mesurant plutôt sur des millions d’années. Le terme naturel est important toutefois car l’activité humaine interagit sérieusement à ce niveau. En effet, ce réservoir contient 5 000 Gt de carbone sous forme de combustibles fossiles [15], activement exploités comme nous le savons.
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Ces 5 000 Gt de carbone sous forme de carburants fossiles sont 6.5 fois plus importants que le carbone atmosphérique. Or, qu’arrive-t-il lorsque nous utilisons ce combustible? Chaque litre d’essence qui est brûlée produit 2.4 kg de CO₂ de plus dans l’air. En le brûlant, nous transférons tout simplement ce tonnage de carbone dans le petit réservoir atmosphérique; faut-il se surprendre qu’il déborde, que la concentration de CO₂ atmosphérique ne cesse de croître et pourrait doubler en quelques décennies si nous continuons comme si de rien n’était?
Il aura fallu des millions d’années pour réduire le niveau de CO₂ atmosphérique sous la barre des 300 ppm en le transférant à la lithosphère et l’hydrosphère, déposé et fixé dans des sédiments marins et dans les roches calcaires. Brûler les énergies fossiles à un rythme toujours plus intensif comme nous le faisons retourne à l’atmosphère, en quelques décennies à peine, le CO₂ capturé pendant des milliers de millénaires! [16]
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Tout notre développement économique depuis la révolution industrielle repose sur l’exploitation de cette énergie fossile à bas coût. Nous ne pouvons pas y renoncer du jour au lendemain. Mais nous devons prendre conscience que ce modèle n’est pas soutenable à long terme et qu’il doit changer rapidement. Même si c’est « économique » de le faire, on ne peut « physiquement » continuer à brûler autant d’énergie fossile, et d’en brûler des quantités de plus en plus grandes chaque année sans créer de déséquilibre potentiellement catastrophique. Il y a là un consensus scientifique clair. À nous d’agir et d’inciter nos dirigeants à agir, pour le bien de tous, et celui des générations futures.
Réal Trépanier
© 2010 Impact: Changements climatiques
Réal Trépanier
© 2010 Impact: Changements climatiques
RÉFÉRENCES: Pour en savoir plus sur le sujet...
[1] Fischesser B.et Dupuis-Tate M-F. Guide illustré de l’écologie, Éditions de La Martinière, France, 2007, (350p), p.44
[2] Villeneuve C. et Richard F. (2007) Vivre les changements climatiques, réagir pour l’avenir, Éditions MultiMondes, 449 p. Voir chapitre 3, p.40
[3] Bourque P-A, Planète Terre, Département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval, cours disponible sur le site http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html. Voir Planète Terre, section 3,4,2 Le cycle du carbone
[4] Id.
[5] RAMADE, F. (2003) Éléments d’écologie, écologie fondamentale. 3e édition, Dinid, Paris 690p. Voir section 1.1.3 sur la formation de l’atmosphère, la biosphère et l’origine de la vie.
[6] Suzuki D. L’équilibre sacré, redécouvrir sa place dans la nature, Édition Boréal, 2007 (393p.). Voir chapitre 2, p.78
[7] Bourque P-A, Planète Terre, Département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval, cours disponible sur le site http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html. Voir Planète Terre, section 3,4,2 Le cycle du carbone
[8] Olivier M. Chimie de l’environnement. Production Jacques Bernier. Québec 2007, (312p.) Voir chapitre 3, p.104
[9] Id. P.101 (C’est la photosynthèse chez les algues, les phytoplanctons et les plantes terrestres qui a produit tout l’oxygène présent sur la Terre)
[10] Bourque P-A, Planète Terre, Département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval, cours disponible sur le site http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html. Voir Planète Terre, section 3,4,2 Le cycle du carbone
[11] Villeneuve C. et Richard F. (2007) Vivre les changements climatiques, réagir pour l’avenir, Éditions MultiMondes, 449 p. Lire l’anecdote concernant Ralph Klein, ancien premier ministre de l’Alberta, riche province pétrolière, qui un jour déclara qu’il faudra respirer seulement une fois sur deux si le Canada adopte le protocole de Kyoto… Humour ou ignorance? À vous de juger!
[12] Pour une explication et une démonstration graphique du cycle du carbone, voir l’excellent site de l’IPSL, Institut des sciences de l’environnement (regroupant des organisations gouvernementales de recherche et des universités françaises). Disponible au http://cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr/index.php/visiteurs-mainmenu-6/3-cycle-du-carbone/11-un-cycle-simple, Le cycle du carbone (IPSL)
[13] Villeneuve C. et Richard F. (2007) Vivre les changements climatiques, réagir pour l’avenir, Éditions MultiMondes, 449 p. Voir chapitre 3, p.47
[14] Les estimations de la taille des réservoirs proviennent de l’IPSL, Institut des sciences de l’environnement, (eux-mêmes tirées de Christopher L. Sabine et al, Science (2004), Josep G. Canadell et al, PNAS (2007), Raupach et al, PNAS (2007), GIEC 2007), disponible au http://cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr/index.php/visiteurs-mainmenu-6/3-cycle-du-carbone/20-un-cycle-elle-humaine. Voir l'animation Évolution du cycle du carbone à différentes époques - volet AUJOURD'HUI (IPSL)
[15] L’estimation des réserves en combustibles fossiles est tirée de Villeneuve C. et Richard F. (2007) Vivre les changements climatiques, réagir pour l’avenir, Éditions MultiMondes, 449 p. Soit du Tableau 3,1 p.41 et de la p. 55.
[16] GIEC (2007), Couplings Between Changes in the Climate System and Biogeochemistry. In: Climate Change 2007: The physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report, Chapitre 7, p.511. Disponible sur le site du GIEC au http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf
Crédit-photo
i Source : Nasa – disponible sur le site[ http:/spaceflight.nasa.gov/gallery/images/station/crew-8/hires/iss007e17736.jpg]url: http:/spaceflight.nasa.gov/gallery/images/station/crew-8/hires/iss007e17736.jpg
ii Photo : http://www.photo-libre.fr > Photos Libres
iii Vancouver School Board, NSTDA Online Learning Project, Introduction to Earth Science, disponible sur le site http://stloe.most.go.th/html/lo_index/LOcanada1/102/4_en.htm
iv Source: Wikipedia – disponible sur le site http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MERS_(1).JPG
v Source: Nasa Earth Observatory. Feature Article: The Carbon Cycle. Disponible sur le site http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/carbon_cycle4.php
vi Photo : http://www.photo-libre.fr > Photos Libres
vii Source : X-Environnement, Yves Dandonneau, Le cycle océanique du carbone, disponible au http://www.x-environnement.org/jr/JR02/dandonneau_jeandel.html
viii Institut Pierre Simon Laplace IPSL Sciences de l’environnement. Le cycle du carbone, disponible au http://cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr/index.php/visiteurs-mainmenu-6/3-cycle-du-carbone/11-un-cycle-simple
ix Source: Wikipedia – disponible sur le site http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coral_fiji_moturiki.jpg
x Source: Vincent, Photos de Vincent, disponible sur le site http://picasaweb.google.com/vdubee/Madagascar#
xi Earth System Research Laboratory. Atmospheric Carbon Dioxide - Mauna Loa, disponible sur le site
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/co2_data_mlo.html
xii Impact : changements climatiques, 2010
xiii The Engineering ToolBox. Solubility of Gases in Water, disponible au http://www.engineeringtoolbox.com/gases-solubility-water-d_1148.html
xiv Photo de IStockPhoto, tirée de http://www.edmunds.com/ownership/techcenter/articles/123901/article.html
xv Source: Wikipedia – disponible sur le http://en.wikipedia.org/wiki/File:AlfedPalmersmokestacks.jpg
1. Les caprices de la météo!
